POWER – Physik Online Warm-Up für ERstsemester

Im einführenden Abschnitt des OPEN vhb-Kurses „POWER – Physik-Online-Warm-Up für ERstsemester“ vermitteln wir einen ersten Überblick über die Inhalte der nachfolgenden Kapitel sowie Informationen zur didaktischen und strukturellen Aufbereitung des Kurses. Wir stellen Ihnen außerdem das Team vor, das den Kurs entwickelt hat.

Bevor wir uns intensiver den physikalischen Teilbereichen widmen, befassen wir uns zunächst mit den Grundlagen und legen dadurch sozusagen ein physikalisches Fundament. Im ersten Kapitel des kostenlosen Online-Kurses erfahren Sie, was physikalische Größen und Variablen sind, wie diese als Symbole dargestellt werden und wie Sie mit ihnen rechnen können. Dies stellt das nötige Rüstzeug dar, um die nachfolgenden Lerninhalte durchzuarbeiten.

Ob Sie sich nun mit der Maus oder auf dem Tablet durch diesen OPEN vhb-Kurs arbeiten, sich beim Nachdenken am Kopf kratzen oder beim Lesen die Kaffeetasse zum Mund führen: Bewegung spielt bei vielen physikalischen Vorgängen eine wichtige Rolle.

Im zweiten Kapitel unseres offenen Online-Kurses beschäftigen wir uns mit Fragen wie: Wie bewegt sich ein Körper? Wie lassen sich Bewegungen messen und beschreiben? Am besten gelingt dies in einem ersten Schritt durch die grafische Darstellung in Form von Bewegungsdiagrammen. Diese ermöglichen es uns, die physikalischen Größen Ort, Zeit, Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung zueinander in Beziehung zu setzen. Darüber hinaus erfahren Sie, wie sich eindimensionale Bewegungen berechnen und grafisch darstellen lassen.

Viele von uns kennen das Gefühl, wenn die Achterbahn auf dem Weg nach unten stark beschleunigt und man dabei richtig in den Sitz hineingedrückt wird. Oder auch beim starken Abbremsen mit dem Auto spürt man, welche Kräfte – bereits bei geringen Geschwindigkeiten – wirken können.

Kräfte sind eine grundlegende physikalische Größe der Mechanik. Wer Bewegungen und insbesondere Bewegungsänderungen verstehen und beschreiben will, muss die (Wechsel-)Wirkungen der Kräfte kennen, die dabei im Spiel sind. Wir befassen uns daher in diesem Kapitel mit verschiedenen Arten von Kräften:

• Gewichtskraft und Gravitation
• Federkraft
• Normalkraft
• Reibungskraft

Wir schauen uns darüber hinaus an, wie die Kräfte auf einen Körper wirken können, etwa wenn sich ein Körper im Gleichgewicht befindet. Weiterhin erfahren Sie, wie sich die Wirkung der Kräfte durch Nutzung eines Hebels (Hebelwirkung) verstärken lässt und wie sich Kräfte addieren zu einer resultierenden Kraft.

Will man die Dynamik mechanischer Vorgänge konzeptionell beschreiben oder mit Formeln ausdrücken, benötigt man die drei Newtonschen Gesetze, die ebenfalls in diesem Kapitel zur Sprache kommen:

• Trägheitsprinzip
• Aktionsprinzip
• Wechselwirkungsprinzip

Energie begleitet uns ständig: Wir benötigen Energie, um unsere Arbeit und unseren Alltag zu bewältigen. Erneuerbare und fossile Energie sind ein vor allem auch medial vieldiskutiertes Thema. Der Begriff der Energie ist schlichtweg omnipräsent. Doch was ist Energie eigentlich? Die Erhaltungsgröße Energie hängt eng mit den physikalischen Größen Arbeit und Leistung zusammen. Im vierten Kapitel unseres kostenlosen Online-Kurses beleuchten wir unter anderem, wie Energie durch Arbeit übertragen werden kann, welche verschiedenen Energiearten es gibt und wie eine Energieform in eine andere umgewandelt werden kann – zum Beispiel beim Bremsen kinetische Energie in thermische Energie.

Sie möchten ein Bild aufhängen und schlagen deshalb einen Nagel in die Wand. Oder Sie treten gegen einen Fußball, der dann wegfliegt. In beiden Fällen wird der Bewegungszustand des Körpers, sein sogenannter Impuls, geändert. Eine solche Impulsänderung kann durch einen Kraftstoß (d.h. eine kurzzeitige Wechselwirkung zwischen zwei Objekten), wie im Beispiel zwischen Fuß und Fußball, erfolgen.

In einem System mehrerer Objekte bezeichnen wir mit dem Gesamtimpuls die Summe der Einzelimpulse. Wir zeigen auf, warum sich der Gesamtimpuls in einem geschlossenen System zeitlich nicht ändert (d.h. der Gesamtimpuls bleibt erhalten).

Der Gitarrist bringt mit seinen Fingern oder mit einem Plektrum die Saiten zum Schwingen, der Geigenspieler nutzt einen Bogen. Doch nicht nur Schall kann durch Schwingungen entstehen. Eine Brücke kann beispielsweise in Schwingung geraten, wenn sie von Autos befahren wird oder auch durch den Wind. Schwingungen gibt es aber auch dort, wo wir sie gar nicht bewusst wahrnehmen können: in Atomen und Molekülen.

Im sechsten Kapitel unseres kostenlosen Online-Kurses erklären wir, wie Schwingungen entstehen, wann man von harmonischen Schwingungen spricht und was es mit Begriffen wie Amplitude, Periodendauer und (Kreis-)Frequenz auf sich hat.

Vielleicht haben Sie schon einmal einen „elektrischen Schlag“ bekommen oder Ihnen sind die Haare zu Berge gestanden, wenn Sie mit Gummisohlen über einen Kunstfaserteppich gelaufen sind. Wir zeigen Ihnen in diesem Kapitel anhand von anschaulichen Beispielen unter anderem, wie Reibungselektrizität zustande kommt, wie sich Ladungen anziehen oder abstoßen können, welche elektrischen Leiter und Nichtleiter es gibt und was es bei elektrostatischen Effekten mit der Coulomb-Kraft auf sich hat. Ferner lernen Sie, was ein elektrisches Feld ist und wie dessen Stärke von elektrischen Ladungen beeinflusst wird. In diesem Zusammenhang setzen wir uns auch mit Begriffen wie Spannung und Arbeit auseinander.

Wir nutzen elektrischen Strom täglich, ohne ihn würde unsere gesamte Infrastruktur zusammenbrechen. Im achten Kapitel unseres kostenlosen Online-Kurses erklären wir Ihnen, wie elektrischer Strom entsteht und in welcher Verbindung Stromstärke und Spannung zueinander stehen. Darüber hinaus lernen Sie das Ohmsche Gesetz und die Wirkung Ohmscher Widerstände kennen und können am Ende des Kapitels einfache elektrische Schaltungen entwerfen.

Es ist immer wieder faszinierend, wie eine Magnetnadel im Kompass bei der Orientierung helfen kann. Magnete lassen sich aber auch dazu verwenden, den Einkaufszettel an der Kühlschranktür zu befestigen. Im neunten Kapitel unseres Gratis-Online-Kurses widmen wir uns dem Magnetismus. Wir gehen der Wirkung von Permanentmagneten auf den Grund und erläutern, wie auch stromdurchflossene Leiter magnetische Wirkung entfalten können. Wir befassen uns auch mit der Lorentzkraft, die dann wirkt, wenn sich elektrische Ladungen in einem magnetischen Feld bewegen.

Vielleicht fragen Sie sich, was Optik mit Magnetismus und elektrischer Energie zu tun hat. Es gibt tatsächlich eine Verbindung: Denn Licht kann nicht nur als Strahl, sondern auch als elektromagnetische Welle aufgefasst werden. Im vorletzten Kapitel dieses OPEN vhb-Kurses beschäftigen wir uns mit der Ausbreitung, Reflexion und Brechung von Licht, mit Linsen und mit Wellenoptik. Sie lernen auch, wie die Erkenntnisse der Physik in optischen Instrumenten genutzt werden.

Auch in der Wärmelehre geht es um Bewegung, genauer um die thermische Bewegung von Molekülen. Zum Abschluss unseres kostenlosen Online-Kurses gehen wir auf den Unterschied zwischen Temperatur und Wärme ein und erklären Ihnen den Zusammenhang zwischen Bewegung und Temperatur. Wir befassen uns zudem mit der Frage, wie sich thermische Bewegungen auf die Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) und auf die Volumenausdehnung von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen auswirken. Auch Formen der thermischen Energieübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung sind Gegenstand dieses Kapitels.